Toppkvarker i Large Hadron Collider (LHC) proton-protonkollisioner produceras övervägande i par, med en toppkvark och en toppantikvart. För att mäta produktionstakten för toppkvarkpar, ATLAS -experimentet undersökte händelser med en elektron, muon, och en eller två jetplan som sannolikt kommer att ha sitt ursprung från bottenkvarkar. Genom att jämföra antalet händelser med en bottenkvarkstråle till dem med två bottenkvarkstrålar, ATLAS kunde bestämma både den totala produktionstakten, samt effektiviteten av att identifiera bottensmakade jetstrålar.

Denna metod användes för att utforska kinematiken hos elektronerna och muonerna som härrör från toppkvarkförfall. Resultatet når en oöverträffad precision, med totala osäkerheter från 1 procent till 15 procent, ge ny inblick i dynamiken i toppkvarkproduktion och förbättra vår kunskap om fördelningen av gluoner inuti protonen. Resultatet gjorde också att ATLAS kunde göra en exakt ny bestämning av toppkvarkmassan.

Den övre kvarkmassan är en grundläggande parameter för standardmodellen, som exakt förutspår förhållandet mellan massorna i toppkvarken, W och Higgs bosoner. Alla avvikelser från detta mönster kan antyda till nya partiklar eller fenomen. Figur 1 visar värdena för den övre kvarkmassan (m _t ) bestäms utifrån fem av de uppmätta produktionshastigheterna. En av styrkorna med denna mätning kommer från dess kombination av alla kinematiska fördelningar, ger ett värde av m _t =173,2 ± 1,6 GeV.

Att mäta massan av toppkvarken är extremt utmanande. Toppkvarken kan inte direkt observeras; den måste härledas indirekt genom sönderfallna partiklar. Dessutom, mätningar av toppkvarkmassan påverkas alltid av en oreducerbar teoretisk oklarhet, eftersom toppkvarker är partiklar som utsätts för den starka interaktionen och inte kan förfalla isolerat utan att interagera med andra kvarker och gluoner som produceras i händelsen.

Användningen av elektron- och muonkinematik har bidragit till att minska dessa oklarheter, och den nya ATLAS -mätningen av den övre kvarkmassan har en mindre teoretisk oklarhet än andra mätningar som undersöker strålar från botten och lättare kvarkar. Denna nya mätning är ett viktigt steg framåt i vår förståelse av toppkvarken.